光量子体系下基于粒子群算法的LED植物照明光源设计

在现代农业生产中,常采用发光二极管(LED)作为植物照明光源对农业作物进行补光,为提高LED植物照明阵列光源的均匀度,本文在光量子体系下,提出一种新的基于粒子群算法的LED植物照明阵列光源设计方法。通过MATLAB对红蓝光LED植物光源阵列进行数学建模,运用粒子群算法寻找高均匀度条件下的红蓝光LED坐标,设计出二维情况下的红蓝光LED排布阵列;在三维情况下,为解决维度升高时可能会导致的求解陷入局部极小问题,采用改进的随机惯性权粒子群算法进行三维方案设计,并使用Tracepro对两种设计方案进行验证,与传统的红蓝光LED等间距逐行排列设计进行了对比。研究结果表明,与常见逐行排列LED阵列设计达到的光量子通量密度(PPFD)均匀度为79.6%相比,通过粒子群算法寻优的设计方法,二维设计方案的PPFD均匀度达到88.7%,较等间距逐行排列设计提高了9.1%;三维设计方案的PPFD均匀度达到92.6%,较二维设计方案提高了3.9%,较等间距逐行排列设计提高了13%。本实验证明了运用粒子群算法在二维和三维空间进行LED植物照明阵列光源设计的可行性,在简易设计流程的同时,提高了工作效率。     

一种基于RGB三基色LED的白光光源

数字光源处理(DLP)投影技术是投影显示的一个重要分支,基于发光二极管(LED)照明技术的DLP投影显示技术则是目前DLP技术的一个重要发展方向。根据DLP投影显示技术的需要,对一种新型的LED混光光源进行了优化设计和仿真计算,得到了一种适合于为DLP微型投影机提供照明的LED混光光源。该混光光源可以提高LED光源的DLP微型投影机的光通量。     

基于光量子学的植物照明用自由曲面底板LED光源设计

基于光谱的光量子学照明系统评价方法,能使现代农业发光二极管(LED)植物照明系统具有可重复性,具有实用意义。基于光量子理论,采用高出光效率、高均匀度的自由曲面底板设计方法,并使用脉冲宽度调制驱动方法,设计了一款应用自由曲面底板的红蓝光LED植物照明用灯具,并对其参数进行测量。将仿真结果与实验结果进行对比详细分析了传统照明设计方法在LED植物照明中的意义。实验结果表明,所设计的灯具光量子通量密度均匀度约为80%,灯具最高温度约为50℃。由于没有使用扩散板等二次配光手段,灯具出光效率可视为100%,比使用扩散板的情况提高了34.5%以上,大大减少了植物照明的能耗。扩散板的引入会降低所设计灯具的光量子通量密度均匀度,而对混光均匀度影响不大。因此,在植物照明使用的红蓝光LED组合中,使用自由曲面底板的一次配光方法比使用扩散板的二次配光方法更为简便有效,更符合植物照明的设计需求。     

植物照明用荧光粉转换白光二极管的研究

LED具有效率高、体积小、功耗低、寿命长等优点,并且因其具有可轻易实现宽幅光谱调控的特性,在植物照明领域崭露头角。植物照明用LED分为两大类,一类是单色光LED,另一类是白光LED,其中植物照明用白光LED可与单色LED混合或者单独使用从而实现植物补光照明。植物封装用白光LED大部分采用蓝光LED芯片或紫外LED芯片和荧光粉组合实现,即荧光粉转换型白光LED,但是光谱集中于可见光偏蓝,对植物进行光合作用的效率不明显。植物对于光的吸收不是全波段的而是有选择性的,基于植物光合作用吸收光谱的特殊性,将白光LED光谱的显色性能作为评判其光谱是否适合植物生长所需的光质的标准,其平均显色指数Ra,特殊显色指数R9(饱和红光),R12(饱和蓝光)被考虑选择为植物照明用白光LED的主要性能评价参数。为设计出植物进行生长发育所需要的、性能良好的能应用于植物照明领域的白光LED,选用常见商用YAGG为绿色颜色转换材料,选用(Sr, Ca)AlSiN₃为红色颜色转换材料,并用传统高温固相法制备了系列光谱可调的(Sr, Ca)AlSiN₃荧光粉,并进行了光谱性能分析。通过将搭建好的LED结构模型导入光学仿真软件并分别引入绿色荧光粉颗粒、红色荧光粉颗粒以及蓝光芯片的特性参数,在Lighttools中分别建立了单蓝光LED芯片(450 nm)和双蓝光LED芯片(450+470 nm)激发(Sr, Ca)AlSiN₃和YAGG荧光粉组合,实现了白光LED的光学仿真模型,研究了两种激发模式下仿真得到的不同色温白光LED的光谱功率分布及其显色性能。用蓝光LED芯片、(Sr, Ca)AlSiN₃以及YAGG荧光粉组合进行了单芯片和双芯片显色性能差异的封装验证。通过将Sr_0.8Ca_0.12AlSiN₃∶0.08Eu2+和YAGG荧光粉的混合物点涂在双蓝光LED芯片上进行了白光LED的封装制备,获得了Ra=91.2,R9=96.1,R12=78.9,光谱辐射光效LER=126 lm·W-1的高效高显色白光LED其含有植物生长所需要的蓝光和红光。     

具有曲面反射面的高均匀度LED植物光源

目前植物工厂培养架所使用的LED光源模块光学结构简单,照度均匀度和混色均匀度难以保证,导致农作物的品质参差不齐。为了提高种植物品质,需要优化植物光源的照明效果,设计高均匀度的植物光源。本文针对这一问题提出并研究了一种倒置光源的植物培养架设计方案。将LED灯珠安置在种植面同侧,并结合曲面反射顶面对LED发出的光线进行进一步均匀分配,在植物培养架有限的种植空间内增加光线耦合距离和耦合程度,提高了培养架植物光源的均匀度。经过多次结构优化后,最终获得了一个照度均匀度为91.64%、混色均匀度为89.73%的高均匀度植物照明培养架。然后基于优化得出的植物光源,研究植物生长过程对照明效果的影响后表明植物在生长过程中均可获得良好的照明环境。最后研究了不同形状和不同配光曲线的灯珠对培养架均匀度和光能利用率的影响。     

展陈照明光源光谱对光敏文物的辐照损伤研究

展陈照明中的光辐照会对光敏文物材料造成褪色、老化等辐照损伤,尤其对字画、染色丝绸、彩绘陶器等颜色非常丰富的光敏性文物损伤巨大,不利文物安全。国内外展陈照明标准为减少对文物的辐照损伤,严格控制照明标准水平,如光敏文物的照度仅50lx,不利于观众更加细致的欣赏这类文物。随着半导体固态光源Light emitting diode （LED）技术的发展,其光谱中不含对文物损伤最大的紫外和红外波段,与传统光源相比具有天然优势,能够实现在相同照度条件下对文物产生更小的伤害。并使得在不增加对文物损伤的前提下,提高照明环境亮度从而改善照明环境水平成为可能。然而,即使仅有可见光光谱,可见光光子能量仍会对材料造成不可逆的损伤。而LED光源光谱多样,甚至有较大差异,在LED光源大规模进入文物展陈照明领域时,如何科学指导博物馆文物照明光源的研发与应用,是改善文物展陈照明环境的关键问题。该研究对常见光敏文物材料进行可见光连续辐照下表面颜色属性变化的测量研究,通过制备常用的国画颜料和植物染料样品（国画颜料主要有硃磦、赭石、三青、花青、胭脂、炭黑、曙红、酞青蓝;植物染料主要有茜草、黄檗、栀子、靛蓝、槐米、苏木、紫草）,利用不同波长单色光和不同色温复合光的LED作为光源,对样品进行大剂量连续辐照实验。辐照过程中,定期测量材料表面颜色的色度学参数L*, a*, b*,以CIE 1976 L*a*b*均匀色空间色差计算方法,求算出不同光谱的LED光源辐照后样品的色差变化。再分别从辐射度学和光度学出发,对比分析具有不同光谱的LED光源对国画颜料和植物染料的长期辐照影响。实验结果表明：不论从辐射度学还是光度学角度分析,相同辐照剂量或曝光量照射后,单色光中短波长的蓝光辐照导致样品的色差最大,绿光次之,红光最小;而在复合光中,高色温LED光源由于蓝光占比较大,对样品的辐照影响明显高于低色温LED光源;目前利用光照度对博物馆照明环境进行评价时,由于蓝光对应的人眼视见函数数值较低,与辐射照度评价相比,蓝光辐照对文物的影响会被进一步低估;相同光照条件下,植物染料的老化程度总体高于国画颜料;黄色系的植物染料（黄檗、槐米）和红色系的国画颜料（硃砂、曙红）在光照过程中更易老化。因此,博物馆展陈照明的LED光源应严格控制蓝光成分,采用低色温的光源更有助于对文物的保护。在今后制定文物展陈照明标准时,应对光源的蓝光占比进行限制。此外,对于黄色系、红色系等光敏文物进行照明时,相应的展陈照明标准应更为严格。该研究对于LED光源在博物馆照明更加合理的研发与应用,以及未来博物馆展陈照明标准改进及照明条件改善具有重要指导意义。     

基于人眼视觉特性的LED照明技术

介绍了人眼的视觉特性和中间视觉的特点,提出通过选择合适的s／p值LED可提高中间视觉下LED照明的光效,并结合基于人眼视觉转换特性的动态调节技术和LED背光源照明技术,实现了真正意义的节能、舒适、人性化的LED照明。     

多基色LED的照明通信光源显色性研究

可见光无线通信(visible light communication,VLC)是将LED照明技术和光通信技术相结合的一种新兴技术。针对目前LED照明通信光源显色性差、光效低且色温不可调等问题,依据多基色LED白光通信原理进行了相关研究,以Yoshi等提出的高斯分布形式作为基色LED的光谱模型,利用国际照明委员会(CIE)推荐的一般显色指数(R_a)和美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology,NIST)推荐的一般色质指数(Q_a)评价光源的显色性。采用遗传算法,在2 700~6 500 K色温范围内优化出单个色温以及色温可调光源满足显色性最优的光谱组合,并基于R_a和Q_a大于80的原则优化出色温可调光源光视效能(luminous efficacy of radiation,LER)最优化的光谱组合。最后根据实验结果分析了光源的显色性、光视效能和色温可调性三者之间的关系。结果表明：三基色色温可调白光LED满足显色性最优的峰值波长组合为613 nm/541 nm/464 nm,此时R_a和Q_a的最小值分别为81.2和81,可以满足一般条件下的照明通信需求;四基色色温可调白光LED满足显色性最优的峰值波长组合为620 nm/562 nm/505 nm/449 nm,此时R_a和Q_a的最小值分别为96.7和92.2。在特殊照明场所或要求较高的通信速率时,应采用四基色白光LED作为照明通信光源。仿真得到了三基色和四基色白光LED的最佳光谱组合,为宽通道可见光通信光源的设计提供了参考依据。     

LED照明节律效应随年龄的变化

研究了不同色温LED照明时节律效应随年龄的变化规律。在节律因子计算公式中,引入不同年龄人眼的透射谱,分析LED色温和年龄对节律因子的影响。然后,测量了12名老年和18名青年男性在黑暗状态下以及照度为500 lx、不同色温LED照明时的心率,采用黑暗状态与照明状态的心率变化表征节律效应,来验证所得的理论规律。结果表明:色温为6 500,5 500,4 500,3 500 K的LED照明时,青年人(20岁)的节律因子分别为1.1,0.7,0.5,0.44,不同色温LED照明时心率变化率差异明显;老年人(65岁)的节律因子分别为0.5,0.3,0.25,0.2,不同色温下心率变化较小。在同一色温LED照明时,节律效应随着年龄的增加而减小。LED色温不同时,青年人节律因子的变化较大,老年人则变化较小。     

RGBW四色LED混光优化在日光模拟中的应用

根据全日日光色温和亮度的变化曲线,利用RGBW四色LED混光模拟全日日光色温和亮度的变化,并采用遗传算法优化混合光的显色指数.采用Matlab进行仿真,并基于Arduino开源平台搭建日光模拟系统对仿真结果进行验证.实验表明,该策略可准确模拟全日日光色温和亮度的变化规律,同时通过遗传算法的优化可使LED混合光兼具最优的显色性能,验证了所提策略的正确性和有效性.该策略可应用于密闭环境照明、植物照明等特殊照明领域的日光模拟仿真试验和工程实践.     

LED照明系统的光照均匀性设计

随着大功率LED发射光强的不断提高,采用单粒LED为光源的照明系统已能满足许多场合的照明需求。根据非成像反射器的设计方法,研究了一种以单粒LED为光源的照明系统光照均匀性问题,提出了一种能实现目标平面特定区域内的照度值为常数的光反射器面形设计方法。该方法根据目标平面上的照度分布函数建立微分方程,通过求解微分方程得到反射器面形轮廓的函数,根据该函数建立照明系统的模型,用ASAP对该模型进行光线追迹,得到系统的光照均匀性,并进而确定适合数控加工的反射器面形数据。     

基于逆向优化设计的高能量利用率LED路灯透镜

采用逆向优化设计的方法设计发光二极管(LED)路灯透镜,提高LED路灯道路照明质量和能量利用率。以城市道路照明标准为约束,优化出最大亮度照度比的理想配光曲线。基于得到的理想配光曲线,透镜采用分离变量法设计自由曲面,将光源和目标面进行网格划分,形成能量对映关系。同时对曲面构造误差进行控制,再利用反馈优化法对透镜进行优化,使透镜的配光曲线趋于理想。仿真实验表明:采用逆向优化设计的LED路灯透镜,能很好地符合道路照明标准,亮度照度比为0.067,同时相对于传统的对称型LED路灯配光曲线节省20.2%的能耗,使LED路灯达到了高照明质量和高能量利用率的目的。     

基于光学扩展量的LED均匀照明反射器的设计

针对发光二极管(LED)光源的发光特点,根据非成像光学的光学扩展量理论建立了获得均匀照明反射器的一般方程,实现了在特定目标面上的均匀照明,进而依据该方程设计了用于体视显微镜的LED照明系统.利用TracePro软件对所设计的系统进行光线追迹仿真,结果表明在Φ90 mm的范围内照度均匀性达到90.6%,不考虑反射率损失时能量利用率可达到99.6%.该设计方案采用单一反射器实现均匀照明,为实现照明系统小型化和简单化提供了一种有效的途径.     

基于逆向优化设计的高能量利用率LED路灯透镜EI北大核心CSCD

采用逆向优化设计的方法设计发光二极管(LED)路灯透镜,提高LED路灯道路照明质量和能量利用率。以城市道路照明标准为约束,优化出最大亮度照度比的理想配光曲线。基于得到的理想配光曲线,透镜采用分离变量法设计自由曲面,将光源和目标面进行网格划分,形成能量对映关系。同时对曲面构造误差进行控制,再利用反馈优化法对透镜进行优化,使透镜的配光曲线趋于理想。仿真实验表明:采用逆向优化设计的LED路灯透镜,能很好地符合道路照明标准,亮度照度比为0.067,同时相对于传统的对称型LED路灯配光曲线节省20.2%的能耗,使LED路灯达到了高照明质量和高能量利用率的目的。     

基于Ce^3+∶YAG透明陶瓷的大功率LED和LD照明原型器件的发光性能:厚度和表面粗糙度的影响EI北大核心CSCD

采用高温真空烧结技术制备了0.5%Ce∶Y 3Al5O12(简称Ce∶YAG)透明荧光陶瓷,在透射模式下分别采用大功率蓝光发光二极管(LED)芯片(3.2 V×0.3 A)激发和LD蓝光光源(0.8 W,1.6 W)激发,系统研究了陶瓷厚度(0.3~2.3 mm)和表面粗糙度(322.86 nm,9.79 nm)等对照明原型器件的色温、显色指数和光电转换效率等发光性能的影响。结果表明,陶瓷表面有一定粗糙度可使原型器件的发光性能整体提高,其中用粗糙度为322.86 nm的Ce∶YAG透明陶瓷组装的原型器件分别获得了93.6 lm/W(蓝光LED激发)和178.5 lm/W(蓝光LD激发)的高光电转换效率。研究表明,通过调节Ce∶YAG透明陶瓷的厚度和表面状态,可有效提升高功率密度固态照明器件的发光性能。     

在飞机内展现闪耀星空肖特向航空公司独家提供光纤及LED发光二极管舱内照明方案

2007年4月17日，在德国汉堡举行的飞机内部设计及设备展会上（Aircraft Interiors Expo），著名的德国光纤玻璃厂商肖特公司展示了最新的LED发光二极管和光纤照明方案。该产品方案采用客户定制的个性化照明概念，为飞机内部照明需求提供了全新的现代化设计理念。肖特公司还在其展位上向观众演示了这种客户个性化定制安全照明方案的优势和巧妙之处。     

LED照明自适应驱动电源的研制

针对半导体发光二极管(LED)作为照明的驱动特性,设计了一种基于开关电源的自适应LED驱动电路。利用高密度电源控制芯片sa7527实现了LED的恒流驱动和过压保护,通过对输出光强和LED温度的检测实现了光衰的自动补偿功能。实际应用表明,该驱动电路可满足LED作为照明的实际需要,并且具有宽电压输入范围、高效率和光衰补偿功能。     

基于白光LED照明光源的室内VLC系统

LED照明与可见光通信技术相结合,构建出基于LED可见光无线通信系统。对室内VLC(Visible Light Communication)系统的白光LED光源特性和系统信道模型分析,提出照明光源布局设计与接收光功率分布的关系;对强度调制直接检测方式的室内VLC系统中信噪比和多径效应引起的码间串扰分析,提出采用光分集接收技术克服码间串扰和提高信噪比,并给出光检测器阵列布局的模型。建立VLC系统仿真模型,给出OOK-NRZ (On-Off Keying & Non-Return Zero)和OOK-RZ(On-Off Keying & Return Zero)调制方式的误码率和均方根时延扩展之间的关系曲线。仿真结果表明,接收光功率相同时,均方根时延扩展时间大于1.0 ns时,OOK-RZ特性优于OOK-NRZ。     

不同调光方式LED照射下的人体非视觉效应

分别采用模拟调光和PWM调光方式实现LED光调节。采用生理参数法,以在校大学生为研究对象,选择3种色温(3 000,5 600,6 500 K)LED光源,在3种照度(300,500,800 lx)水平下,对8名(5男,3女)受测者在实验前后的脉搏和瞳孔进行测量。选择同样3种色温LED光源,分别采用两种调光方式添加蓝光(464nm,20 lx)实现300 lx的照明环境,对12名(8男,4女)受测者在实验前后的脉搏和瞳孔进行测量。结果表明:两种调光方式实现的LED光环境对人体脉搏变化率和瞳孔收缩率的影响均没有显著性差异;在测试照明环境中添加蓝光,可引起人体脉搏变化率和瞳孔收缩率增大,峰值处分别增加约6%和9%。     

激光、激光技术 激光应用 激光农业应用

S123 2006032055发光二极管辐照光合能力快速检测系统=Rapid and com-pact optical measurement systemfor photosynthesis abilityusing LED excitation[刊,中]/王俊生(华南师范大学激光生命科学研究所.广东,广州(510631)) ,邢达…∥光电子·激光.—2006 ,17(3) .—377-380提出了一种以AT89c55单片机为核心实现对植物光诱导延迟荧光(DF)采集和处理的发光二极管(LED)辐照光合能力快速检测系统。该系统利用DF来表征植物的光合能力,采用DF衰减动力学曲线下面积积分作为表征方法。该系统基于弱光探测技术,采用通道光电倍增管直流模块(C…